新能源并網(wǎng)對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響

吳 鵬

北京京能清潔能源電力股份有限公司華南分公司，廣東 湛江 524033

0 引言

隨著近幾年全國新能源發(fā)電機組并網(wǎng)總負(fù)荷比例的持續(xù)穩(wěn)定提高，電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性再次受到了前所未有的重大技術(shù)挑戰(zhàn)，研究與建立新能源機組慣量動態(tài)控制模型及研究技術(shù)、方法等仍是當(dāng)前國內(nèi)外的重要學(xué)術(shù)難題[1]。文章首先通過理論分析新能源并網(wǎng)對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響，分析了提高新能源并網(wǎng)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量的措施。最后以風(fēng)力發(fā)電為例，專門分析了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電對策，以期為相關(guān)人員提供更具體的參考。

1 新能源發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)概述

新能源分布式發(fā)電系統(tǒng)大部分為分布式電源，分布式電源系統(tǒng)由美國的研究人員于1978 年提出，是一種目前較主流的新型光伏供電系統(tǒng)。在出現(xiàn)之初主要是為了服務(wù)偏遠(yuǎn)地區(qū)特定用戶的用電需求，是一種建設(shè)在用戶附近的小型供電系統(tǒng)[2]。隨著對可再生能源的利用研究，可再生能源發(fā)電的比例逐年提高，如新能源發(fā)電、光伏發(fā)電、潮汐發(fā)電等的利用。新能源發(fā)電也指不穩(wěn)定的小型發(fā)電系統(tǒng)。傳統(tǒng)的新能源發(fā)電主要建于用戶附近，能源利用率高，經(jīng)濟性較強。新能源發(fā)電的發(fā)電功率越來越高，而新能源發(fā)電建設(shè)區(qū)域一般經(jīng)濟發(fā)展較為不足，電力需求不大，這造成了能源的極大浪費，因此新能源發(fā)電有了并網(wǎng)需求。我國新能源發(fā)電主要由可再生能源發(fā)電系統(tǒng)組成，如光伏發(fā)電、新能源發(fā)電等。因此新能源發(fā)電的發(fā)電功率并不穩(wěn)定，有一定的時間性與季節(jié)性特點，這對新能源發(fā)電并網(wǎng)時造成了不良影響。新能源并網(wǎng)流程圖如圖1 所示。

圖1 新能源并網(wǎng)示意圖

2 新能源并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響

2.1 新能源并網(wǎng)對電壓穩(wěn)定性的影響

新能源分布式發(fā)電的特點是在網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換過程中會由單線路電源變?yōu)槎嗑€路節(jié)點電源，造成整個分布式電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的電壓發(fā)生相應(yīng)變化[3]。當(dāng)用戶需要或臨時需要退出分布式電網(wǎng)時，必然會對電力系統(tǒng)運行質(zhì)量造成嚴(yán)重影響，部分節(jié)點系統(tǒng)失去穩(wěn)定高電壓線路的支撐，整個電網(wǎng)節(jié)點上所有的低壓供電線路也會出現(xiàn)低電能問題[4]。為避免以上問題，新能源并網(wǎng)或者啟動發(fā)電時應(yīng)盡量持續(xù)保持極高的功率，這樣在新能源發(fā)電機組退出電網(wǎng)時，電力系統(tǒng)電壓波動較小。但不同地區(qū)的新能源并網(wǎng)后，其啟動運行時對電網(wǎng)電壓造成的影響有所不同，現(xiàn)階段還沒有更好的并網(wǎng)技術(shù)可以避免所有并網(wǎng)問題。

2.2 新能源并網(wǎng)對諧波的影響

首先，電網(wǎng)諧波是電壓的劇烈波動帶來的最直接的影響。當(dāng)不同新能源系統(tǒng)接入同一個主供電網(wǎng)時，諧波會通過主動電網(wǎng)給外部提供電力資源以作為主要生產(chǎn)能源，從而在發(fā)電的過程中引起系統(tǒng)電壓的波動，嚴(yán)重影響低電壓系統(tǒng)運行的整體穩(wěn)定性。其次，諧波實際上是功率輸出放大后的效果。新能源的發(fā)展取決于當(dāng)?shù)丨h(huán)境特性，如果當(dāng)?shù)靥柲芎軓姡颐磕昕偺柲馨l(fā)電量較大，則諧波取決于并網(wǎng)點和發(fā)電量。如果網(wǎng)絡(luò)連接容量太大，則輸出的功率大幅度增加。太陽能并入電力系統(tǒng)時，在并網(wǎng)的電源點達(dá)到其最大傳輸功率時，系統(tǒng)電壓將隨之上升，從而將導(dǎo)致電源輸出電壓功率產(chǎn)生倒流等現(xiàn)象，進而影響系統(tǒng)可靠與安全運行。

3 提升新能源并網(wǎng)電能質(zhì)量的措施

3.1 加快智能電網(wǎng)的建設(shè)

智能電網(wǎng)的負(fù)荷自我調(diào)節(jié)處理能力更靈活，針對各類新能源負(fù)荷發(fā)電需求，可快速進行負(fù)荷自適應(yīng)和優(yōu)化調(diào)整，有效地提高機組負(fù)荷控制能力、及時響應(yīng)能力和安全高效性。新能源并網(wǎng)機組可于一定程度上完全避免各類人為負(fù)荷因素造成的負(fù)荷波動影響。此外，智能電網(wǎng)的自我保護管理能力更強，智能電網(wǎng)能夠及時、主動作出故障防護響應(yīng)，避免事故進一步發(fā)展擴大，提高整個電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性。

3.1.1 做好頂層設(shè)計，加強行業(yè)引導(dǎo)

相關(guān)部門應(yīng)該堅持規(guī)劃先行，基于新形勢新要求進一步組織深化智能電網(wǎng)研究，明確新時代智能電網(wǎng)發(fā)展的技術(shù)路線和發(fā)展模式；建立健全智能電網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系，推動智能電網(wǎng)國際合作創(chuàng)新；統(tǒng)籌加強對行業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)，加大各行業(yè)之間的協(xié)調(diào)力度，為智能電網(wǎng)未來發(fā)展指明方向。

3.1.2 完善配套機制，培育創(chuàng)新土壤

相關(guān)部門應(yīng)該逐步完善智能電網(wǎng)配套政策體系，在項目建設(shè)、并網(wǎng)、交易等方面予以政策支持；完善相關(guān)機制建設(shè)，培育開放共享的市場環(huán)境，支持儲能、微電網(wǎng)、分布式能源等能源形態(tài)健康發(fā)展；推動構(gòu)建智能電網(wǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)體系，引導(dǎo)各方共同參與，激發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展活力，培育創(chuàng)新土壤。

3.1.3 全面加快智能電網(wǎng)建設(shè)

全面加快智能電網(wǎng)建設(shè)是落實新時代能源轉(zhuǎn)型與能源革命要求的有效途徑，也面臨極大的挑戰(zhàn)。相關(guān)部門應(yīng)該應(yīng)準(zhǔn)確把握我國新形勢和智能電網(wǎng)的發(fā)展定位，科學(xué)謀劃合理可行的發(fā)展路線，以創(chuàng)新示范、統(tǒng)籌引領(lǐng)智能電網(wǎng)建設(shè)，推進能源電力行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

3.2 合理降低電網(wǎng)壓力

電網(wǎng)損耗研究包括無功損耗分析與有功損耗，電力企業(yè)可通過直接計算總功率損失損耗，分析電網(wǎng)系統(tǒng)功率損耗狀況，并最終利用綜合降耗的方式減少綜合用電的負(fù)荷，最大程度地發(fā)揮用電設(shè)備的優(yōu)勢[5]，同時延長電氣設(shè)備的使用壽命。電路導(dǎo)線的選擇設(shè)計、布線過程復(fù)雜且煩瑣，電力企業(yè)需根據(jù)有功損耗的計算結(jié)果，結(jié)合實際電路情況，合理設(shè)計、選擇電路導(dǎo)線，以降低實際電路系統(tǒng)中的電阻功率的損耗。電力企業(yè)需合理選擇接地變壓器線路，盡量減少系統(tǒng)無功損耗。為全面加強電網(wǎng)無功綜合補償項目的針對性，電力企業(yè)需在電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的配套建設(shè)中，整合現(xiàn)有電網(wǎng)資源條件，運用同步諧調(diào)補償相機與靜止無功補償器等，進一步優(yōu)化發(fā)電系統(tǒng)無功自動補償。根據(jù)我國電網(wǎng)特征合理規(guī)劃并選擇配套設(shè)備，以降低現(xiàn)有電網(wǎng)投入運行前的負(fù)荷，切實加速新能源產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展步伐，不斷提高經(jīng)濟效益。

3.3 加強對風(fēng)電技術(shù)的關(guān)注和研究

風(fēng)能屬于新能源的一種，風(fēng)力發(fā)電在新能源發(fā)電中的占比達(dá)到10%。如圖2 所示。所以在新能源應(yīng)用過程中，電力企業(yè)應(yīng)深入研究風(fēng)能并網(wǎng)控制技術(shù)和最大限度風(fēng)能獲取系統(tǒng)技術(shù)。風(fēng)電場運行受風(fēng)力新能源發(fā)電和風(fēng)機控制系統(tǒng)理論的影響，經(jīng)常出現(xiàn)發(fā)電與需求不平衡的問題，對風(fēng)能電網(wǎng)運行的使用效益造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響。為了進一步提高我國風(fēng)電系統(tǒng)的整體性能，確保系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、可靠性，提高機組處理復(fù)雜故障事件的響應(yīng)能力，需要對風(fēng)電場與并網(wǎng)工程的最新發(fā)展技術(shù)方向進行長期動態(tài)跟蹤，同時對世界各地風(fēng)能利用的能量密度情況進行全面比較，思考今后如何捕捉更多有用的新能源，這也是未來中國風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)利用技術(shù)的工作方向之一。目前，獲取風(fēng)能的最佳利用方式之一是人工調(diào)整風(fēng)輪機葉片直徑比和改變發(fā)電機組的水輪機功率系數(shù)和最大轉(zhuǎn)速。風(fēng)電系統(tǒng)中的風(fēng)電集成控制技術(shù)和風(fēng)能的最大風(fēng)能捕獲量，是實現(xiàn)今后實現(xiàn)風(fēng)電新能源跨越式發(fā)展規(guī)劃的重要研究任務(wù)之一。

圖2 新能源占比示意圖

3.4 優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電項目

隨著中國可持續(xù)發(fā)展的深入推進，風(fēng)電工程發(fā)展作為我國電力可持續(xù)發(fā)展的重要改革舉措，加大對國內(nèi)新能源風(fēng)力發(fā)電項目模式的創(chuàng)新對促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意義重大[6]。在推動新能源風(fēng)力發(fā)電工程項目模式的創(chuàng)新建設(shè)與規(guī)范使用時，電力企業(yè)應(yīng)當(dāng)及時發(fā)現(xiàn)潛在的共性問題，多角度深入分析問題產(chǎn)生的原因，以進一步推動新能源風(fēng)力發(fā)電工程項目持續(xù)健康發(fā)展。要全面加強對設(shè)計施工作業(yè)現(xiàn)場情況的監(jiān)督管理，及時發(fā)現(xiàn)缺陷與缺陷記錄和分析發(fā)現(xiàn)設(shè)計存在偏差問題，綜合考量各種可能影響工程建設(shè)的因素，及時合理調(diào)整項目施工安排，最大限度減少重大工程項目的變更，促使重大風(fēng)電工程項目建設(shè)有序、順利、高效開展。

4 新能源發(fā)電并網(wǎng)的未來發(fā)展展望

新能源發(fā)電虛擬智能同步機的順利投產(chǎn)將進一步加快科技創(chuàng)新，協(xié)助打造信息高效可互聯(lián)、智能高效可互動、靈活便捷可柔性、安全穩(wěn)定可控、持續(xù)發(fā)展的新型智能化和新一代電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)系統(tǒng)。示范及試點電網(wǎng)工程也能幫助客戶實現(xiàn)未來的發(fā)電運營成本效益安全保障，保障電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性、高效性及穩(wěn)定性，提高電網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)能水平。新能源并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用已證明其能較好地滿足未來智能系統(tǒng)的高效、智能、可控、靈活的要求。

5 結(jié)束語

在可持續(xù)發(fā)展的市場背景之下，新能源逐漸替代傳統(tǒng)能源，投入現(xiàn)代電力系統(tǒng)，而且在電力系統(tǒng)中的重要性越來越大。隨著低碳生活、清潔生產(chǎn)等相關(guān)政策的出臺，新能源勢必會發(fā)展得越來越快。現(xiàn)在，大規(guī)模的集中式并網(wǎng)促進了電網(wǎng)系統(tǒng)的能源多樣化，但并網(wǎng)對電能系統(tǒng)的電能質(zhì)量也存在一定的程度的影響。電力企業(yè)應(yīng)采取可行的安全控制措施，進一步改善電網(wǎng)電能的整體質(zhì)量。